耿海濤，朱亞迪

（1.湖北華電武昌熱電有限公司，湖北省 武漢市 430061；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國電廠已經(jīng)基本實現(xiàn)了信息化的建設(shè)，建立了以分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)+安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system，SIS)+管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)為核心的信息化網(wǎng)路架構(gòu)[1]。隨著以德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為代表的新工業(yè)革命的發(fā)展，以及“中國制造 2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃的頒布實施，數(shù)字化技術(shù)正以前所未有的方式改變工業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)營方式，電力行業(yè)亦是如此。

《中國制造2025》中將“推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合”納入戰(zhàn)略任務(wù)重點，電力裝備是十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一[2]?！秶鴦?wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》中，特別將“互聯(lián)網(wǎng)+能源”作為重點行動，強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)能源生產(chǎn)智能化”，“鼓勵能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)、電能負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘與預(yù)測，開展精準(zhǔn)調(diào)度、故障判斷和預(yù)測性維護(hù)，提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平”[3]。另外，國家能源局發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中也明確提出“提升電源側(cè)智能水平，加強(qiáng)傳統(tǒng)能源和新能源發(fā)電的廠站級智能化建設(shè)”[4]。

關(guān)于智能電廠的研究應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)作了大量的研究[5-8]，許多專家學(xué)者對智能電廠提出了不同的見解，文獻(xiàn)[9]認(rèn)為智能電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步發(fā)展，實現(xiàn)智能發(fā)電首先是要進(jìn)一步提高電廠的數(shù)字化水平；文獻(xiàn)[10]認(rèn)為智能電廠以新一代智能管控一體化系統(tǒng)為核心，全面開拓和整合電廠的實時數(shù)據(jù)處理及管理決策等業(yè)務(wù)。除此以外，國內(nèi)在發(fā)電廠關(guān)鍵技術(shù)的智能化方面做了大量的研究，如智能供熱技術(shù)、故障診斷等[11-12]。

國外發(fā)電廠智能化建設(shè)以西門子和GE公司為代表，其認(rèn)為智能電廠的核心是對設(shè)備生產(chǎn)信息進(jìn)行深度挖掘，從而指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和管理。對此，西門子和GE分別推出了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的 Mindsphere和 Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，融合大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)手段，對發(fā)電企業(yè)機(jī)組運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測和診斷，進(jìn)而提高發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營及管理水平。

1 智能電廠內(nèi)涵

中國智能電廠聯(lián)盟于2016年底發(fā)布了《智能電廠技術(shù)發(fā)展綱要》[13](以下簡稱綱要)。綱要對智能電廠作如下定義：智能電廠是指在廣泛采用現(xiàn)代數(shù)字信息處理技術(shù)和通信技術(shù)基礎(chǔ)上，集成智能的傳感與執(zhí)行、控制和管理等技術(shù)，達(dá)到更安全、高效、環(huán)保運(yùn)行，與智能電網(wǎng)及需求側(cè)相互協(xié)調(diào)，與社會資源和環(huán)境相互融合的發(fā)電廠。

智能電廠是數(shù)字化電廠的進(jìn)一步發(fā)展，強(qiáng)調(diào)在進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)備信息采集、過程控制的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對電廠信息的處理和應(yīng)用，并結(jié)合先進(jìn)的可視化技術(shù)實現(xiàn)信息的展現(xiàn)。智能電廠的特征表現(xiàn)為數(shù)字化、信息網(wǎng)絡(luò)化、信息可視化、過程控制智能化以及生產(chǎn)管理一體化。

數(shù)字化是信息的表現(xiàn)形式，傳統(tǒng)電廠數(shù)字化往往只針對生產(chǎn)過程信息的數(shù)字化，忽略了電廠全壽命周期過程中靜態(tài)信息的數(shù)字化，如設(shè)計、安裝、調(diào)試、檢修等過程的靜態(tài)信息。智能電廠通過對靜態(tài)信息的數(shù)字化，形成設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為電廠的生產(chǎn)決策提供全面的數(shù)字化信息。

信息的網(wǎng)絡(luò)化，是通過統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，打通電廠信息孤島，實現(xiàn)各系統(tǒng)信息的共享，為信息的智能化挖掘和分析奠定基礎(chǔ)。

信息的可視化是基于現(xiàn)代三維建模技術(shù)，建立各設(shè)備、系統(tǒng)的精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)模型，并將相關(guān)的動態(tài)和靜態(tài)信息與三維模型關(guān)聯(lián)，構(gòu)成三維數(shù)字化信息平臺，從而避免傳統(tǒng)二維可視造成的信息降維，為生產(chǎn)管理人員進(jìn)行操作和管理提供一個友好、直觀的信息交互方式。

過程控制智能化是在融合先進(jìn)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對電廠生產(chǎn)、經(jīng)營和管理信息挖掘和分析，自適應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，如廠級負(fù)荷優(yōu)化分配、自動調(diào)壓等。

生產(chǎn)管理一體化是智能化電廠的支撐平臺，通過統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，將設(shè)備、控制、生產(chǎn)、管理和決策等層面進(jìn)行整合集成的軟硬件平臺。

2 智能電廠整體架構(gòu)

圍繞著智能電廠以上5個方面的特征，智能電廠的建設(shè)分為3個層級：基礎(chǔ)設(shè)備層、過程控制層以及生產(chǎn)管理層，如圖1所示。

圖1 智能電廠層級圖Fig. 1 Hierarchy figure of smart power plant

2.1 智能設(shè)備層

智能設(shè)備層：智能設(shè)備層主要任務(wù)是全面獲取電廠的信息，并有效執(zhí)行控制指令。廣泛的設(shè)備層不僅包括現(xiàn)場安裝的智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工藝設(shè)備、接口和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，還包括人員所攜帶的移動監(jiān)測設(shè)備(如點檢儀、測振儀等)、智能巡檢機(jī)器人等[14]。

2.2 智能控制層

智能控制層是在傳統(tǒng)DCS控制的基礎(chǔ)上，通過嵌入優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化調(diào)整等控制思想，實現(xiàn)控制過程的智能化，如燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的快速啟停機(jī)、自啟停技術(shù)等。

2.3 智能生產(chǎn)管理層

智能生產(chǎn)管理層包含3個層面：智能生產(chǎn)層、智能管理層和智能經(jīng)營決策層，這3個層面有一個共同的特點，需要通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，對信息進(jìn)行深層次的挖掘和分析，進(jìn)而提供指導(dǎo)意見。

智能生產(chǎn)層：除了包含傳統(tǒng)SIS的指標(biāo)統(tǒng)計，信息監(jiān)測以外，還包括基于專家系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)診斷、檢修維護(hù)、設(shè)備監(jiān)督等。

智能管理層：包括資產(chǎn)、財務(wù)、人員、安全等管理的智能化，如智能倉儲系統(tǒng)、基于人員定位的安全管理系統(tǒng)、智能燃料管理系統(tǒng)等。

智能經(jīng)營決策層：通過互聯(lián)網(wǎng)或能源互聯(lián)網(wǎng)與集團(tuán)公司、產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為電廠經(jīng)營決策提供支持。如商務(wù)智能系統(tǒng)、需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)等

3 智能電廠關(guān)鍵技術(shù)探索

實現(xiàn)3個層級的智能化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，建設(shè)過程應(yīng)堅持“結(jié)合實際、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施”的方針策略。對于新建機(jī)組，應(yīng)在可研設(shè)計階段融入智能化電廠的理念，按照設(shè)備層、控制層和生產(chǎn)管理層逐層建設(shè)。對于在役電廠，根據(jù)機(jī)組現(xiàn)有的信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)有選擇性的開展智能化建設(shè)。目前，針對智能電廠的3個層級，國內(nèi)外已經(jīng)探索出部分關(guān)鍵技術(shù)，并逐步形成應(yīng)用成果。

3.1 智能設(shè)備應(yīng)用

智能儀表具有在線采集設(shè)備運(yùn)行信息、遠(yuǎn)程整定、自診斷等功能，可將大量現(xiàn)場信息傳送至全廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)，智能儀表往往與現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合在一起使用，比如可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)協(xié)議的智能儀表以及HART協(xié)議的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

3.2 燃機(jī)快速啟停機(jī)技術(shù)

針對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組中燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)自身的特性以及熱力系統(tǒng)的組成，合理優(yōu)化主、輔機(jī)設(shè)備的啟停時間和啟停步序，包括：汽輪機(jī)進(jìn)汽管道疏水閥控制邏輯優(yōu)化、金屬溫度匹配優(yōu)化、旁通閥調(diào)節(jié)邏輯優(yōu)化、汽輪機(jī)暖機(jī)控制邏輯優(yōu)化，提高下位電站的進(jìn)汽及升負(fù)荷速率。另外，通過對機(jī)組啟停機(jī)過程設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的分析，建立燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組啟停過程的評價體系，對主輔機(jī)設(shè)備在啟停機(jī)過程中的健康狀態(tài)、能耗水平進(jìn)行評估。

3.3 自啟停機(jī)技術(shù)

發(fā)電廠機(jī)組自啟停系統(tǒng)(automatic plant startup and shutdown，APS)為機(jī)組級高度自動化的控制系統(tǒng)，基于單元機(jī)組整機(jī)自動啟?？刂扑枷?，以電廠基本系統(tǒng)(機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐燃燒管理系統(tǒng)和鍋爐、汽機(jī)及相應(yīng)輔機(jī)順序控制等)為基礎(chǔ)。在機(jī)組啟動和停止時，APS為機(jī)組控制系統(tǒng)的中心，根據(jù)機(jī)組啟停要求，按規(guī)定好的程序發(fā)出各個系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備的啟停指令，同時接收各系統(tǒng)的反饋信息，進(jìn)行綜合分析與判斷，完成實現(xiàn)單元機(jī)組的自動啟動或停止。

3.4 基于互聯(lián)網(wǎng)+的安全管理

基于互聯(lián)網(wǎng)+的安全管理是通過定位基站和定位標(biāo)簽采集定位數(shù)據(jù)，通過基礎(chǔ)配置維護(hù)區(qū)域、標(biāo)簽和人員的關(guān)系，通過集成定位數(shù)據(jù)和關(guān)系模型，形成人員定位、人員軌跡回放、動態(tài)預(yù)警、區(qū)域及設(shè)備監(jiān)測等應(yīng)用功能，如圖2所示，在這些集成應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上，開展進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，形成諸如安全管理、考勤管理、考核管理等高級應(yīng)用功能。

圖2 基于互聯(lián)網(wǎng)+的人員定位系統(tǒng)Fig. 2 Personnel location system base on internet plus

3.5 基于生產(chǎn)信息挖掘的智能巡檢

通過對兩票信息、巡檢信息、值班日志、設(shè)備管理信息的挖掘，構(gòu)建智能化運(yùn)檢系統(tǒng)。智能運(yùn)檢系統(tǒng)主要功能包括：

1）自動生成巡檢路線。目前，運(yùn)檢人員進(jìn)行巡檢時主要依據(jù)經(jīng)驗或者運(yùn)行規(guī)程中的規(guī)定路線。智能運(yùn)檢系統(tǒng)可根據(jù)兩票信息、值班日志、設(shè)備缺陷信息及交接班信息設(shè)備健康程度智能生成巡檢路線，以加強(qiáng)對缺陷發(fā)生較多的設(shè)備巡檢。

2）移動化巡檢。通過設(shè)備二維碼標(biāo)簽，結(jié)合移動設(shè)備，實現(xiàn)移動化巡檢。用戶使用移動設(shè)備對設(shè)備進(jìn)行掃描之后可以直接進(jìn)行模型的定位，同時可以實現(xiàn)對點檢線路管理、點檢計劃管理以及點檢結(jié)果的錄入和查詢等，如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)檢移動終端Fig. 3 Mobile terminal of smart operation and overhauling

3.6 基于大數(shù)據(jù)挖掘的設(shè)備故障診斷

設(shè)備故障預(yù)警管理是信息技術(shù)與數(shù)據(jù)技術(shù)融合的典型應(yīng)用。利用機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對設(shè)備的正常運(yùn)行工況信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測模型。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)劣化或者故障時，預(yù)測模型會與實測值產(chǎn)生偏差，從而向工作人員或者工作流發(fā)出報警。與傳統(tǒng)預(yù)警診斷技術(shù)相比，故障預(yù)警技術(shù)能夠在漸變性故障發(fā)生之前，通過劣化趨勢分析及時報警，并提供該異常的具體變化趨勢，以及相關(guān)異常參數(shù)情況，供故障預(yù)警與分析。該技術(shù)能夠在各種運(yùn)行工況下持續(xù)監(jiān)視所有設(shè)備和生產(chǎn)流程，可用于監(jiān)視負(fù)荷變化工況和機(jī)組啟動/停機(jī)工況，并能在到達(dá)臨界點之前發(fā)現(xiàn)蠕變?nèi)毕?。該系統(tǒng)包括狀態(tài)預(yù)估模型管理、智能集中監(jiān)測、智能告警管理。

1）狀態(tài)預(yù)估模型管理。

狀態(tài)預(yù)估模型管理提供預(yù)警監(jiān)測模型的配置、訓(xùn)練、啟用等管理過程，完成數(shù)字化電廠各專業(yè)相關(guān)設(shè)備的趨勢預(yù)警模型的構(gòu)建，通過本模塊，將電廠有價值的運(yùn)行經(jīng)驗，固化到模型中，通過模擬人工智能實現(xiàn)智能監(jiān)視。

2）集中監(jiān)測管理。

集中監(jiān)測模塊向?qū)I(yè)診斷人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，包括廠級告警趨勢、各機(jī)組告警情況、系統(tǒng)工程模型告警分析等。通過集中監(jiān)測，遠(yuǎn)程診斷員可實時掌控電廠各設(shè)備的運(yùn)行情況，并對設(shè)備故障預(yù)警進(jìn)行及時分析與處理。

3）智能告警管理。

告警管理模塊面向?qū)I(yè)診斷人員、運(yùn)行人員、設(shè)備管理人員，提供告警自動產(chǎn)生、告警自動合并、告警輔助分析、告警處理、告警閉環(huán)歸檔等全流程服務(wù)。通過告警深度分析功能，結(jié)合三維虛擬電廠，對告警設(shè)備及相關(guān)測點進(jìn)行綜合，輔助故障診斷。

3.7 三維可視化信息展現(xiàn)

基于設(shè)計院提供的三維模型(包括汽機(jī)房、鍋爐房及結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、橋架等，以及化學(xué)，供水等工藝設(shè)備管道)構(gòu)建全廠三維模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)以下功能：

1）通過電廠標(biāo)識系統(tǒng)(kraftwerk-kennzeichen system，KKS)編碼以及設(shè)備標(biāo)簽，使設(shè)備三維與設(shè)備信息相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對電廠設(shè)備基礎(chǔ)信息的可視化管理以及資產(chǎn)與信息的一體化管理，如圖4所示。

圖4 三維可視化設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)Fig. 4 3D visualized equipment asset management system

2）在三維虛擬電廠的基礎(chǔ)上，與虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)三維可視化仿真培訓(xùn)，如基于VR的電廠全場景漫游、三維可視化拆解、組裝，電廠設(shè)備檢修過程仿真等，如圖5所示。

3.8 智能升壓站

升壓站作為智能電廠與智能電網(wǎng)的結(jié)合點，其智能化建設(shè)將會是智能電廠建設(shè)的重點環(huán)節(jié)。智能升壓站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的升壓站[15]。

圖5 三維虛擬電廠Fig. 5 3D virtualization power plant

3.9 一體化平臺

一體化平臺以設(shè)備管理和發(fā)電生產(chǎn)為主線，以資產(chǎn)管理為核心，對電廠人員、資金、材料、設(shè)備、技術(shù)等各種資源進(jìn)行優(yōu)化管理，實現(xiàn)電廠實時生產(chǎn)過程與人、財、物等價值鏈的高度集成與協(xié)作，引導(dǎo)企業(yè)從常規(guī)管理邁向精細(xì)化閉環(huán)管理。管控一體化主要實現(xiàn)：

1）生產(chǎn)實時信息與管理信息系統(tǒng)的集成，使管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用模式由管控分離向管控一體化轉(zhuǎn)變；

2）完成應(yīng)用系統(tǒng)從部門級單項應(yīng)用到企業(yè)級，涵蓋生產(chǎn)、采供及人事、設(shè)備等環(huán)節(jié)的整體應(yīng)用，使系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)由分散應(yīng)用向整合應(yīng)用轉(zhuǎn)變；

3）達(dá)成在全廠范圍內(nèi)形成信息共享、增值的機(jī)制，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理由分散管理向集中管理轉(zhuǎn)變。

4 智能電廠建設(shè)目標(biāo)

智能電廠是傳統(tǒng)數(shù)字化電廠的進(jìn)一步延伸，除傳統(tǒng)數(shù)字化電廠所要求的及時、全面、準(zhǔn)確地獲得電廠的信息以外，更加強(qiáng)調(diào)對所獲得信息的融合及挖掘分析，以期實現(xiàn)電廠的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、精益管理以及管控一體。

安全可靠：以可靠性為中心，利用大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)手段挖掘和分析設(shè)備生產(chǎn)信息，診斷設(shè)備的健康狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備檢修策略；深入融合人員信息、設(shè)備狀態(tài)信息、環(huán)境信息以及安全管理信息，構(gòu)建起以人、機(jī)、環(huán)境及管理為核心的數(shù)字化安全管理體系。

經(jīng)濟(jì)高效：以節(jié)能監(jiān)督為中心，利用人工智能、云計算等技術(shù)手段挖掘分析機(jī)組、系統(tǒng)和設(shè)備的生產(chǎn)信息，診斷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性水平；融合先進(jìn)仿真技術(shù)，優(yōu)化調(diào)整機(jī)組及系統(tǒng)的運(yùn)行方式。通過機(jī)組快速啟停機(jī)、自啟停機(jī)、負(fù)荷優(yōu)化分配等優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合不同機(jī)組實際性能，建立滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和高效的多目標(biāo)柔性優(yōu)化控制策略。

精益管理：以設(shè)備為核心，整合設(shè)備資產(chǎn)信息，結(jié)合設(shè)備三維虛擬技術(shù)，建立可視化設(shè)備資產(chǎn)信息管理中心；結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化倉儲系統(tǒng)，實現(xiàn)備品備件的數(shù)字化管理；結(jié)合設(shè)備可靠性和經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)，合理優(yōu)化定期工作。

5 結(jié)語

智能電廠的是現(xiàn)有數(shù)字化電廠的進(jìn)一步延伸，不僅僅是現(xiàn)場設(shè)備、控制系統(tǒng)的智能化升級，還需深入融合大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、可視化等先進(jìn)技術(shù)，并與企業(yè)、集團(tuán)的發(fā)展戰(zhàn)略相融合，統(tǒng)一規(guī)劃實施，提高生產(chǎn)效率、降低企業(yè)綜合成本，提升企業(yè)市場應(yīng)變能力，為企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和科學(xué)決策提供更好幫助。